Оптическое излучение в проектировании электронных приборов сверхвысоких частот Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.3.029.6:621.375.826 А.Н. Поспелов СГГ А, Новосибирск

ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Рассмотрим использование светового управления модуляторами сверхвысоких частот (СВЧ). Исследовался прибор [1] на основе волновода из высокоомного кремния - 81 п-типа с объёмной удельной

электропроводностью <т^5103 См/м, вставленный в разрез металлического волновода; диапазон С7 -ь38 ГГц. Управление производилось освещением инфракрасным излучением в импульсном режиме широкой стенки волновода. На рис. 1 представлены результаты эксперимента - кривая 1, зависимость коэффициента затухания ав от интегральной проводимости поверхностного слоя а-ё (с/ - толщина слоя полупроводника), и результат расчёта - кривая 2 для полупроводникового (1111) волновода сечением 1,8 х 0,9 мм и для частоты / = 35 ГГц. Потери в открытом состоянии в полосе частот ^5 + 2^ ГГц не превышали 0,7 дБ. Рост <т-£/ приводит к падению ав практически до нуля, а фазовый сдвиг СВЧ волны достигает максимума. На рис. 2 представлена зависимость ~ время) при импульсном освещении при

длительности импульса света t0 = 50 мкс, длине волны светового излучения Лё = 0,93 мкм и отношении плотности потока светового излучения Ф к Ф - максимальной плотности светового потока - Ф/Фптач = 0,8. Имеет место

шах ИЩА ?

постоянство времени жизни неравновесных носителей заряда г и линейная рекомбинация на локальных центрах при небольших уровнях возбуждения. При большой интенсивности освещения увеличивается эффективное время релаксации фотопроводимости.

Известны результаты экспериментальных исследований на опторадиоэлектронных приборах (ОРЭП) [2] в диапазоне Сб-ь50' ГГц, содержащих отрезок поликорового зеркального волновода (ПЗВ) (относительная диэлектрическая проницаемость е = 9,6 , тангенс угла диэлектрических потерь tgSe = 4 10'4, объём - 1 X 1 X 60 мм3) и электромагнитно-связанный с ним прямоугольный резонатор из

-5

высокоомного 81 (^ = 11,6, = 1 10' , а « 0,9 -10-2 См/м (в темноте), объём -

-5

2 х 1 х 5 мм ) или отрезок кремниевого зеркального волновода (КЗВ) (2 х 1

-5

х 17 мм ). Исследовалось влияние зазора между ПЗВ и резонатором, а также - между ПЗВ и КЗВ на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Освещалась поверхность КЗВ или резонатора светом с Лё = 0,9 мкм. Первый ОРЭП содержал входной и выходной переходы на волновод сечением 5,2 х 2,6 мм2, отрезок ПЗВ с входным и выходным скосами на концах и резонатор в форме параллелепипеда. В устройстве осуществлялся резонансный режим

работы на стоячей волне Еу вследствие отражений от граней резонатора.

Зазор между ПЗВ и резонатором отсутствовал. При наличии зазора возникал режим связанных колебаний, что обусловливало возникновение, как волны

Еу , так и волны Еу . Эффективное взаимодействие ПЗВ (волна Е11 ) и

резонатора (волна Еу) при этом возможно, когда фазовые скорости волн в

них близки друг к другу. Ширина резонатора была вдвое больше ширины ПЗВ и диэлектрические проницаемости их сравнимы. При отсутствии света ОРЭП представляет собой режекторный фильтр, АЧХ которого зависит от величины зазора. При освещении потери резонатора возрастают, и он представляет собой резистивную частотно-независимую нагрузку.

Вторая модель ОРЭП включала КЗВ с согласующими скосами. Если

зазор между ПЗВ и КЗВ отсутствовал, то имела место волна Е у . При

наличии зазора создавался режим работы на связанных колебаниях как в ответвителях с распределённой связью между отрезками двух волноводов. Наибольшее влияние КЗВ обусловливается выбором величины зазора. На АЧХ наблюдалось плавное изменение начальных потерь из-за излучения энергии с поверхности согласующих скосов КЗВ. АЧХ регулировалась изменением зазора. На рис. 3 представлены частотные зависимости аг^шт при отсутствии зазора и освещения - кривая 1 и аА 1гах , но при освещении -кривая 2. Видно, что АЧХ практически не зависит от частоты. Эксперименты подтверждают возможность эффективного оптического управления АЧХ ОРЭП, содержащих резонаторы или электромагнитно-связанные отрезки КЗВ и ПЗВ. Динамический диапазон регулирования амплитуды в полосе частот ( 36^-50) ГГц составляет около 19 дБ. В зависимости от значений Ф света 1111 волновод можно использовать как широкополосный управляемый аттенюатор, переключатель или фазовращатель, в том числе в миллиметровом диапазоне волн (ММВ). При умеренных значениях Ф эффективную амплитудную модуляцию СВЧ волны можно получить на 81.

Варьирование параметрами ОРЭП возможно за счёт изменения условий освещения и фотоэлектрических свойств рабочего тела.

Рис. 3. Частотные зависимости аАтт при отсутствии зазора и освещения -кривая 1, и аА 1гах при освещении - кривая 2

Был рассмотрен интерферометрический эффект в ПП в диапазоне ММВ [3]. Изучалось отражение ММВ от планарной структуры из ПП панели, воздушного зазора и металлического отражателя при воздействии на неё света. Варьированием размерами и свойствами материала достигалось полное поглощение электромагнитной волны. Система может практически полностью поглощать или отражать электромагнитные волны в зависимости от значения <х ПП. Эквивалентная схема системы дана на рис. 4. Область I -воздух с постоянной распространения СВЧ у{) = аА() + р{) (полагали аА{) = о ). Е — напряжённость электрического поля (н — напряжённость магнитного поля), падающей на германиевую панель волны. Ек — отражённое поле. Область II — ПП панель толщиной 11 с постоянной распространения У = аА+ Р (Р ~ волновое число). Область III - воздушный зазор толщиной /. Область IV - металлический отражатель. Для области I

Еу =Е-е~]р

■Е

Л

Нх=-

/?о

2л///

-Ек-е^ о2

где х, у — поперечные координаты, г относительная магнитная проницаемость.

Для области II Еу=Ех-е~у2 +Е1-еу2

продольная координата, /и

Нх =

_2£_

2ф

для области III Еу =Е^-е г°2 + Ел ■ еГо2.

Нх =

ЗГО

для области IV Еу=Е,

і0-е

нх =

Л/т

2л//'

2л///

Е0 ■е~Ут2,

Г-3 -е

■Е2 ■е

~г°2 -Е4-е

Г о2

в

Е Е1 Ез Ео

Ек Е: Е+

К А ► 1 А ►

Рис. 4. Эквивалентная схема планарной структуры

Для металла при х = 0 Е + ЕК=Е1+Е2, 7/?о ■ С - г ■ С\-Е2;,

при X = 1Х Ех -е^х +Е2 -е7*1 =Е3 -е~г°11 +Е4 -е7^1

у - ^1 ■ е~^1 - Е2 ■ е7^1 = у$ ■ • е 7^1 - Е^ ■ е7^1 ;

при Ъ = 1 +1\ = /д £3 • е 7о1° + £4 • е7(>1 - О, /о ' ^3 ' е Го1° ~ ^4 ' еГ°! ^ О • Решение данных уравнений относительно неизвестных полей:

Ея _~№ФоО |^/;/() >/^1>1_+ Ъо!гУтУ\_

Е МФоО 1? / ГоУ^У1 +

Были вычислены характеристики отражения для / = 70 ГГц:

где //о - магнитная постоянная. В эксперименте с германием Се длина СВЧ волны в среде Л - составляла примерно 1,07 мм (в воздухе - 4,29 мм), а рассматривалась как параметр, I - как независимая переменная. Толщина панели 1-1 составляла примерно 1,49 мм. Вычисления показали, что если толщина ПП кратна нечётному числу четвертей длины волны, то минимум Ек / Е получается через полуволновые интервалы толщины воздушной прослойки. Учтя это (1 = Л/2), исходя из принципа соответствия физики, полагая, что у- г/г ^значительно больше 1, можно получить [4]:

Е ~ *012^ ¥/уо2+^11Ц/С '■

Для минимального отражения произведение ст-^ постоянно.

Были выявлены критические условия, при которых нормально падающие СВЧ волны практически полностью поглощаются.

Принимали, что температура комнатная и а « р ; инерционность свободных носителей заряда не учитывалась. Было получено при Ея = 0:

I УиФо •С_1/4_= 0.

Условия, определяющие отражение:

4-Г/г<*-/1^=1, 4■tgф()

Если /3 ■ 1Х = рж, где р - целое число, то условия минимума отражения:

tg^Q 'О=со> А) = Ср + 1^/2,/ = С/’ + 1^-/4.

Поэтому, если ^ кратно половине длины волны, то минимум отражения обеспечивается толщиной воздушной прослойки I, кратной нечётному числу четвертей длины волны. И наоборот. При проведении эксперимента

минимальное отражение получалось при о-1х «5,4-10 3 См. Были вычислены и хорошо совпали с экспериментальными данными значения |Ек /Е\ (рис. 5) и фазы (р этого отношения при темновой удельной электропроводности Се а = 3,6 См/м. Благодаря относительно большому значению б ПП и величине 10 , малой по сравнению с несколькими длинами волн, смещение нуля и

изменение отражательной способности пренебрегаемо малы. Верхнее значение частоты модуляции ограничено значением времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда в ПП. Модулирующая частота может достигать 1 ГГц. Для максимального поглощения СВЧ энергии необходимо подбирать соответствующие значения е и а ПП, а также толщины панели и воздушной прослойки. На рис. 6 представлена Еп -

зависимость —- = / . Для всех рисунков «1,49 мм.

Е "

Отметим, в частности, что, применяя инфракрасный лазер (60 Вт) и мишень из ортоклаза К[Л181з08], можно получить плотность фототока 104 А/м2.

Весьма эффективным является применение материалов, переходящих под действием света из состояния ПП (диэлектрика) в состояние полуметалла, а также применение сегнетоэлектриков-ферромагнетиков-полупроводников, сегнетоэлектриков-ферромагнетиков, антисегнетоэлектриков-ферромагнетиков, сегнетоэлектриков-антиферромагнетиков.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Кошелев О. Г. Физические явления в фотоуправляемых модуляторах СВЧ на основе кремния при стационарных условиях // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1990. № 10. С. 47-53.

2. Гигоян С. С., Мурмужев Б. А. Оптически управляемые устройства миллиметрового диапазона // Радиотехника. 1990. № 4. С. 72-74.

3. Джекобс Г., Моррис Г., Хоуфер Р. Интероферометрический эффект в полупроводниках в миллиметровом диапазоне волн // Зарубежная радиоэлектроника. 1968. № 12. С. 109-121.

4. Пат. 2052872 Россия, МКИ Н01Р 1/22, Н03С 7/02. Модулятор СВЧ/ А.Н. Поспелов. - Опубл. 20.01.96. - Бюл. № 2.

© А.Н. Поспелов, 2005